捕捉彗星

天文学家唐·布朗利的三楼办公室里堆满了太空用品，其中许多都弥漫着对过往辉煌的怀旧气息：一块来自首次航天飞机飞行的隔热瓦；一块来自美国第一颗卫星的牌匾；一些开创性太阳系探测器的模型。墙上挂着一幅华丽的画作，描绘了1986年哈雷彗星在南极洲上空飘浮的景象，还有一幅异想天开的插画，画中一名阿波罗时代的宇航员在月球上凝视地球，并优雅地向月球土壤撒尿。

但其中一件物品——书架上一个几乎看不见的、紧挨着一个橙色Slinky（弹簧玩具）的方块——明确指向未来。这个奇怪的半透明立方体散发着微弱的蓝色光泽，像一团凝固的香烟烟雾，一英寸宽的一块感觉轻如空气。当我捏它时，它会碎裂，指尖沾上了一种黏糊糊的滑石粉状物质。布朗利说，这块“几乎什么都不是”的东西叫做气凝胶，一块和一个人一样大的气凝胶重量不到一磅。它感觉黏糊糊的很奇怪，因为它由无数松散团聚的二氧化硅分子簇组成，本质上是微小的玻璃碎片。“你会吸入一些颗粒，嘴里会有奇怪的味道，”布朗利警告说，话音未落，我便感到一阵干涩的金属味。

更大的气凝胶立方体距离地球2.05亿英里，搭载在一艘名为“星尘号”的非凡NASA航天器上。该探测器由西雅图华盛顿大学的布朗利负责，正以极快的速度飞向与维尔德2号彗星（德语发音为“vilt”2）的相遇。气凝胶和维尔德2号彗星预计将于明年一月相遇。当“星尘号”飞掠而过时，彗星脱落的尘埃将以步枪子弹六倍的速度撞击气凝胶。气凝胶将捕获这些颗粒，两年后“星尘号”将返回地球。珍贵的载荷——嵌入气凝胶中并由耐热外壳保护的彗星碎片——将降落在犹他州的沙漠地面上。

“星尘号”是最多四项任务中的一项，这些任务有望最终揭示彗星的构成及其工作原理。每个探测器都将采用不寻常、通常未经测试的技术来完成任务。一艘名为“深度撞击号”的飞船将尝试在彗星上炸出一个巨大的洞；另一艘飞船旨在降落在彗星上并采集其表面部分。为什么要花费这么多时间、金钱和精力来研究天文学家常称之为“脏雪球”的东西呢？因为里面冻结着东西。彗星是太阳系中最原始的物体，是地球和其他行星形成时原始成分的保存样本。“没有它们，我们就不会在这里，”美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的唐·耶曼斯说。“我们很可能要感谢这些东西的存在。”

耶曼斯说，40多亿年前撞击地球的彗星可能带来了这里生命赖以生存的大部分水。这些撞击也可能向地球播撒了富含碳的成分，可能创造了导致生命起源的化学条件。彗星甚至让我们能够追溯我们的历史，回到太阳和行星诞生之前。“我们认为彗星是由星际尘埃组成的，可能形成于银河系中数百万颗恒星周围，”布朗利一边摆弄着一块气凝胶一边说。“如果这是真的，我们的任务将带回一纳米桶星尘到地球……这是我们自家后院隐藏的宝藏。这就像出去得到了一块银河系。”

“星尘号”和“深度撞击号”将是首批测试这些宏大理论的探测器。当“星尘号”带着维尔德2号彗星的碎片返回地球时，“深度撞击号”将准备向坦普尔1号彗星发射一枚820磅重的铜弹。这些“烟花”的结果——恰好定于2005年7月4日——应该会首次揭示彗星的内部。在本世纪末，另一项美国宇航局的任务可能会掠过多达三颗彗星。相遇次数越多越好，因为没有两颗彗星是完全相同的。“彗星都有不同的个性，”约翰霍普金斯大学应用物理实验室的罗伯特·法夸尔说。但他表示，为了看到这些差异，“你真的需要近距离观察。”最后，在2014年，欧洲的“罗塞塔号”任务将尝试在楚留莫夫-格拉西缅科彗星上着陆。

我们尝试近距离接触彗星的历史一直很糟糕：只发生过四次，而且都是短暂的。1985年，以欧洲飞船“乔托号”为首的一系列航天器飞掠了贾科比尼-津纳彗星，并于1986年飞掠了哈雷彗星。此后，除了“乔托号”与格里格-斯凯勒鲁普彗星的一次小规模相遇外，15年过去了。“很长一段时间，彗星任务缺乏吸引力，”丹佛附近洛克希德·马丁公司空间探索系统首席科学家本顿·克拉克说。“NASA当时还在忙着征服行星和进行大巡游。彗星是奇怪的小物体，世界上只有少数几位彗星专家。”

随后在1996年和1997年，两颗明亮的彗星以惊人的近距离掠过地球，彗星瞬间成为明星。“海尔-波普彗星和百武彗星确实提高了人们的兴趣水平，”克拉克说。彗星探测器也完美契合了NASA“更快、更好、更便宜”的新预算指令。2001年，NASA的“深度空间1号”探测器掠过博雷利彗星，彗星研究人员获得了一笔意外之财。尽管该任务是为了测试新型推进和导航系统，但其技术运行良好，足以让“深度空间1号”抵达博雷利彗星。

博雷利彗星和哈雷彗星的照片揭示了一个关于彗星的惊人真相：它们比木炭还要黑。至少从外部来看，所谓的脏雪球看起来全是泥土，没有雪。我们为数不多的几张清晰图像显示出崎岖的黑色肿块，从中喷射出气体和尘埃。靠近太阳时，这些物质会延伸成一条长而稀薄的彗尾，反射阳光。只有那时，彗星才会在天空中平静地闪烁。“我们在彗星照片中看到的根本不是彗星，”布朗利说。“那是彗星正在解体。真正的彗星是中间那块黑色的岩石。”

天文学家怀疑这些黑色涂层富含碳化合物。然而，这些物质是粉状还是坚硬如石，谁也说不准。由于缺乏足够的数据，科学家在描述彗星表面时不得不依赖想象力。马里兰大学天体物理学家凯里·利斯将其比作“冒烟的停车场”，饱受阳光曝晒之苦。“它们的表面被太阳烘烤和炙烤，直到比沥青还黑。它们偶尔会开裂，然后碎片和块状物会脱落。”

自20世纪60年代中期以来，布朗利一直致力于从微小的空间颗粒中提取宏大的故事。他在华盛顿大学攻读研究生期间的一个亮点是参与了搭载在“双子座10号”和“双子座12号”上的收集器的研究。这些金属涂层玻璃板旨在探测微陨石，在舱外六小时内没有记录到任何撞击。“我们看到了很多宇航员的尿液，”布朗利瞥了一眼他顽皮的月球画作说道。“当他们倾倒时，尿液结晶成薄片，并在板上形成肥皂圈结构。人们曾认为来自太空的粒子通量会比实际高出一百万倍，并且第一批卫星会在一年内被侵蚀殆尽。显然，它们没有。”

尽管如此，太空中仍有大量物质可供撞击——每年约有4万吨的地外尘埃飘落到地球上。布朗利已经分析了数百个这样的颗粒。他估计其中约四分之一是由彗星脱落的。其余的来自小行星，它们在内太阳系中碰撞并喷洒尘埃。小行星碎片本身也很有趣，但只有彗星碎片含有完整、未改变的、来自最终演化成我们太阳系的寒冷黑暗星云的样本。

构成彗星的粒子最初是前几代恒星垂死时的呼吸。当一颗恒星的核心氢燃料耗尽时，它会膨胀成一个巨大的红巨星。它的气氛急剧冷却，使得微小的碳、硅和氧化物颗粒得以形成。这些颗粒的大小和颜色像黑烟颗粒，大约是万分之四英寸宽。它们诞生于红巨星或超新星中，漂浮在银河系中，最终与星际气体和尘埃云混合，这些地方正是新恒星和行星诞生的地方。

在我们年轻的太阳系外围，这些尘埃颗粒与微小的冰粒（现在已知在整个宇宙中普遍存在）粘合在一起。这些颗粒逐渐聚集成冰冷的、尘埃状的蓬松块，大小如同大城市。数万亿颗这样的幼年彗星形成于现在木星、土星、天王星和海王星运行的区域。当这些彗星漂移到其中一颗巨行星附近时，引力弹弓效应将它们中的许多推向奥尔特云，这是一个位于冥王星轨道之外的彗星区域。大多数彗星仍然在那里，以极慢的速度运行，直到受到干扰——例如来自一颗经过的恒星——才将它们推回太阳。

这些彗星以雪茄状轨道向内俯冲，完成一次轨道需要数百万年。但当它们越来越靠近木星时，这颗行星可以完全将它们抛出太阳系，或者将它们的轨道搅动成更小的环路。彗星Wild 2，即“星尘号”的猎物，在1974年成为木星族彗星，当时这颗气态巨行星的引力缩小了它的轨道，并将其引向内侧，朝向火星和地球。由于Wild 2自那时起只靠近太阳五次，布朗利认为它是一颗相当新鲜的彗星，其黑色地壳比那些被太阳反复烘烤的古老天体更少。

“星尘号”将用摄像机和其他仪器研究维尔德2号彗星，但其主要目标是捕获数千个从彗核喷出的尘埃颗粒。“其他任务是在研究画作，”布朗利说。“我们是在研究颜料。这就像拿着《蒙娜丽莎》用砂纸将其抹去。”

窥探彗星内部的挑战，丝毫不亚于解读蒙娜丽莎的神秘微笑。喷气推进实验室的行星科学家彼得·邹自1982年以来一直致力于从彗星中收集尘埃；“星尘号”是他的第13个提案。最初，登陆彗星、挖掘样本然后将其带回地球的想法过于昂贵，可能耗资数十亿美元。邹意识到“彗星是一个自我挖掘的天体。你不需要降落在上面就能获取样本并带回地球。”不幸的是，没有人确切知道如何捕捉那些高速飞行的粒子。彗星尘埃粒子会以巨大的力量撞击容器或收集装置，以至于它们会燃烧殆尽或破碎成分子大小的碎片。

“我如何才能捕捉到一个比子弹快数倍的东西，而又不会将其融化或蒸发？”邹问同事们。“我咨询了很多科学家。他们只是嘲笑我。”最终，他发现他需要一种减震材料来逐渐减慢粒子的速度——也许是一捆纤维，可以完整地吸收粒子，就像一捆干草可以阻止子弹而不会将其压扁一样。

首先，他测试了聚苯乙烯泡沫塑料，使用美国宇航局艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德）的一把大功率枪将微小的铝球射入其中。“第一次成功时，我跑去告诉我的老板，‘我抓到了一个！’”邹回忆道。但他决定聚苯乙烯泡沫塑料不适用于彗星任务，因为它在一周左右的时间内会在太阳的紫外线辐射下分解。而且，由于聚苯乙烯泡沫塑料不透明，彗星尘埃将无法找到。要找到比头发丝还细的嵌入尘埃碎片，科学家们需要一种透明的收集材料。

随后在20世纪80年代末，邹在参观新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室时，看到一块气凝胶放在研究人员的窗台上。气凝胶最早由化学家塞缪尔·基斯特勒在20世纪30年代发明，并由孟山都公司用于油漆、化妆品和牙膏。几十年后，洛斯阿拉莫斯的物理学家发现它在核聚变研究和一项机密武器计划中作为绝缘材料效果很好。当邹将其用于小型高速粒子时，它确实奏效了。粒子在透明凝胶中减速停止时形成了明显的轨迹。这些轨迹的长度是粒子宽度的100到1000倍，它们看起来像指向末端微粒的箭头。

邹与加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家合作，使气凝胶更轻，以提高其捕获粒子的能力。经过多年的测试——气凝胶曾飞往和平号空间站并在航天飞机的开放货舱中——邹准备提出了“星尘号”任务。“星尘号”上的气凝胶每立方英尺仅重两盎司——轻到一块与特大号床垫大小相同的气凝胶仅重五磅。“它真是一种奇迹材料，”布朗利说。“它很漂亮。有时它太透明了，以至于很难在你的桌子上找到它。”

几个月后，当“星尘号”接近维尔德2号彗星时，航天器将用一个网球拍状的机械臂举起一盘冰块大小的气凝胶块。彗星尘埃颗粒将切入凝胶，并在嘶鸣着停止时，将微小的条纹瞬间加热到数百摄氏度。早些时候，在2000年和2002年，该飞行器将气凝胶收集器放置在机械臂的另一侧，以捕获星际尘埃颗粒，这些颗粒据信只有彗星颗粒大小的十分之一。这些尘埃应该比彗星尘埃年轻，布朗利希望比较这两种类型。

当这些粒子返回地球时，研究人员将用激光探测它们，并用钨纤维或微镊子沿着撞击轨迹将粒子从气凝胶中取出。然后，世界各地的实验室将开始分析这些样本。如果它们看起来与布朗利认为飘入地球大气层的彗星尘埃相似，那么这些粒子应该像爆裂的爆米花仁。

每当科学家谈论将太空样本带回地球时，他们都会担心污染的危险。美国宇航局将存储“星尘号”气凝胶的休斯顿设施的馆长迈克尔·佐伦斯基表示，这些尘埃不会带来现实版“仙女座病原体”的危险。“彗星颗粒昼夜进入我们的大气层，其改变程度比我们从气凝胶中获得的颗粒要小，”佐伦斯基说。任何病毒、孢子或其他生物材料都应该在进入气凝胶时的热量作用下被消毒。

更大的未知数是“星尘号”的彗星样本能否成功返回地球。当航天器在2006年1月，也就是发射近七年后掠过我们的星球时，它必须以精确的轨迹释放包含气凝胶的保护舱。如果进入角度太浅，它会跳离大气层；如果进入角度太陡，它会烧毁。大于千分之八角度的误差很可能意味着失败。这相当于将高尔夫球瞄准得足够准确，以完成250英尺长的推杆。“我们已经有七年的经验和实践来指向航天器，”喷气推进实验室的“星尘号”任务经理汤姆·杜克斯伯里说。“我们能够达到这个精度水平。”

尽管如此，布朗利的嘴巴在2006年1月15日那天仍会像犹他州沙漠的尘土一样干燥。“要么大获成功，要么彻底失败，”他把额头抵在桌子上，说道。“打开盒子时我们就知道了。”

在马里兰大学帕克分校，一座巨大的足球场耸立在容纳天文学系的砖砌建筑之上。这似乎很恰当，因为那里的一些科学家打算在坦普尔1号彗星上挖出一个体育场大小的陨石坑。他们正在采取这种蛮力方法来了解彗星。

这项名为《深度撞击》的任务（名字在电影上映前就已选定）与《星尘号》细腻的捕捉-返回策略截然不同。“《深度撞击》是一项‘男孩子’的任务。没有那些娘娘腔的接近、会合、与彗星建立关系。它将非常酷，非常快。我们将在它上面打一个大大的洞，砰的一声，看看里面到底有什么。所以它有点像10岁小孩，朝东西扔石头，然后把它砸碎，”任务首席科学家之一凯里·利斯说。

这种冲劲十足的态度让一些研究人员感到不安。“我意识到公众将其视为一种巴克·罗杰斯式的冒险，”一位不愿透露姓名的科学家说，“但我不知道它是否会比其他任务告诉我们的更多，我也不确定它是否会成功。”但“深度撞击”团队坚信采取激进的方法是合理的，因为科学家们根本不知道彗星表面下面有什么。内部物质可能像混凝土一样坚硬，也可能像新雪堆一样柔软。覆盖彗星的黑色、被太阳烤焦的地壳可能只有四分之一英寸厚，甚至可能达到十几英尺。较小的“彗星小行星”可能松散地连接在一起，形成一个布满薄弱缝隙的彗核，或者整个彗星可能是一个连贯的冰冷泥土球。“这就像我们试图看清车罩下面是什么，但我们不知道那是一辆破旧的老爷车还是一辆全新的捷豹，”喷气推进实验室行星科学家杰奎琳·格林说。

“深度撞击”号将于2004年12月30日发射后，飞速冲向坦普尔1号彗星。在次年7月4日彗星相遇的前一天，母船将释放一个“智能撞击器”——一个重达820磅的铜铝块，配备摄像机和小型推进器以帮助其瞄准目标。飞掠船将减速，并通过望远镜记录撞击过程，彗核和撞击器将以每秒6.2英里的速度相撞，产生相当于4.5吨TNT炸药的爆炸力。“在那一刻，我们不知道会发生什么，”格林说。“这就像一个真实航天器实验。”

项目总监迈克尔·艾赫恩是一位和蔼可亲、留着胡子的男士，在马里兰州炎热的夏日里，他喜欢穿短裤和夏威夷印花衬衫，他有一个有根据的猜测。“我的直觉是，我们将挖出一个陨石坑，深入到比地表含有更多挥发性冰的地方，并创建一个新的活跃区域，它将持续数月，”他说。“如果彗星分裂并脱落一小块，我也不会感到惊讶。”

最可能的模型预测，撞击器将形成一个直径400英尺、深近100英尺的陨石坑。陨石坑的实际大小和形成速度——通过母船上的相机测量——将告诉研究人员彗星的内部强度。飞掠船上的仪器还将测量陨石坑喷出的物质成分，因为阳光会照亮气体和尘埃。

再次强调，瞄准的准确性至关重要。击中一个三英里宽、黑暗、不规则的目标，并且是在其表面被阳光照射的部分，这是一项艰巨的工程任务，但数千次模拟显示成功率达到了90%至99%。“这给了我很大的信心，”艾赫恩说。“另一方面，军方也曾试图击中他们确切知道要击中的目标，但他们失败了。”

“深度撞击”号面临另一项挑战。美国宇航局将此次任务视为激发公众对空间科学兴趣的绝佳机会，因此要求开展广泛的推广项目，公众将密切关注。如果智能撞击器过于成功，彗星可能会崩裂出可见的碎片。这在科学上是一大进步，但普通人可能会认为这是对天体的鲁莽破坏。天文学家露西·麦克法登和她的“深度撞击”同事们在他们的公开讲座中听到了这些担忧，因此他们提出了一个富有创意的说法：“我们实际上并没有撞击彗星。我们是将撞击器放置在目标前方，让它撞击我们。彗星正在摧毁撞击器。当人们听到这种说法时，就不会抗议了。”

至于科学上的疑虑，艾赫恩和他的团队一直在努力证明他们的观点。他们正逐渐赢得支持者。“21世纪将是关于其他星球上大量实际活跃科学的世纪，”科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家艾伦·斯特恩说。“《深度撞击》是一项伟大的彗星科学。一开始我觉得它很花哨。现在，我完全成了它的粉丝。它有机会让我们大开眼界。”

“从很多方面来说，这都是一个非常愚蠢、简单的实验，”艾赫恩微笑着把手交叉放在肚子上说。“如果我对彗星了解很多，那做这件事就很蠢。唯一的原因是，我们对彗星知之甚少，所以这样做才是明智的。”十年之内，这句话可能听起来就像11世纪人们认为哈雷彗星是预示黑斯廷斯战役的恶兆一样古朴。

更多彗星，更多任务

去年八月，美国宇航局耗资1.59亿美元的“轮廓号”彗星任务在从地球轨道加速时解体。任务规划者希望美国宇航局能在本世纪末发射一个替代探测器，访问至少两颗彗星。一项新任务可能会前往恩克彗星，康奈尔大学行星科学家、此前“轮廓号”任务负责人约瑟夫·韦维尔卡将其描述为“进化、脱气、耗尽且尽可能古老”的彗星。另一个潜在目的地是舒瓦斯曼-瓦赫曼3号彗星，它在1995年分裂成碎片，表明它是一个年轻、脆弱的天体。“我们不必炸毁它来研究内部，”韦维尔卡说。

不甘示弱的欧洲空间局希望在二月份启动一项雄心勃勃的为期12年的任务，名为“罗塞塔号”。“我们将全面了解一颗彗星，然后我们将观察它如何随时间演变，”西南研究所的艾伦·斯特恩说。“罗塞塔号”的目标是名为楚留莫夫-格拉西缅科的彗星。当“罗塞塔号”在2014年抵达目的地时，彗星将靠近木星轨道，且不甚活跃。在接下来的18个月里，随着彗星越来越靠近太阳并开始沸腾、冒泡、喷出气体和尘埃，“罗塞塔号”将在安全距离上环绕飞行。这项耗资十亿欧元的任务最令人兴奋的科学部分是一个220磅重的着陆器，旨在收集彗星碎片并在机载实验室中进行分析。一个穿透器将深入彗核约一英尺，以测试温度和硬度。但到目前为止，“罗塞塔号”的发射一直遇到困难；其原定的发射日期，即去年一月，不得不推迟，因为一架新型法国制造的阿丽亚娜5型火箭（“罗塞塔号”原计划搭载其近亲升空）在另一次发射中爆炸了。——R.I.

来自地狱的岩石

彗星极其简单又极其神秘。彗星仅仅是一颗原始岩石（彗核），被认为含有冰。彗星绕太阳运行，起源于冥王星之外。大多数彗星直径约一英里，但可能存在数千颗直径超过50英里的彗星。当彗星靠近太阳并受热时，它会产生两条可见的彗尾。其尘埃尾由微小的物质颗粒组成。其离子尾由电子和带电分子形成，当阳光照射时会发出荧光。一层被称为彗发的气体光晕也围绕着彗核形成云状物。

杀手彗星

人们曾经害怕彗星，后来开始将它们视为美丽的奇特天体，再后来又再次害怕它们。“它们实际上是毁灭的媒介，”美国宇航局喷气推进实验室近地天体项目负责人唐·耶曼斯说。尽管接近地球的小行星数量是彗星的约100倍，但彗星的冲击力更大——它们冲向太阳的速度比小行星快几倍。这意味着一颗彗星撞击地球时，其能量可能是一颗同等质量小行星的约10倍。此外，天文学家可以定位并预测大多数小行星的轨道，但彗星在进入木星轨道之前不容易被发现，因为在木星轨道内，太阳会将其加热到足以形成可见的彗尾。一颗新彗星只给我们九个月的预警时间。“这些东西的预警时间可能非常短，而大多数小行星给我们十年或更长时间的预警，”耶曼斯说。他认为我们应该为末日彗星做好计划。但如果真的出现，没有人能完全确定该怎么做。在彗星附近进行小型核爆可能会将其推离并改变其轨道；将巨大的太阳帆固定在彗星上可能会将其牵引偏离轨道；用白色粉末覆盖部分表面以反射太阳能也可能导致轨道改变。将其炸毁可能会让情况变得更糟。1994年，木星的引力将舒梅克-利维9号彗星撕裂成21块可见碎片，这些碎片随后一块接一块地坠入这颗气态巨行星。一块典型的碎片爆炸的威力约为25000兆吨TNT。环绕地球的一系列爆炸可能会比一次撞击造成更大的破坏。耶曼斯希望揭示彗星的成分和结构将告诉我们如何改变它们的轨道。在此之前，他说，“我们离能够应对撞击器还有很长的路要走。”——R.I.

欲了解更多信息，请访问stardust.jpl.nasa.gov、deepimpact.jpl.nasa.gov、www.esa.int/export/esaMI/Rosetta、www.contour2002.org和sci.esa.int/home/giotto。